如何改善机器振动的分析方法

    为了避免机器故障造成的停工损失，目前很多工厂、发电厂、矿厂及其他操作流程都加装了具有预防作用的维护系统，以改善机器的操作效率。新一代具有预防作用的维护系统都采用电子诊断技术以监视机器操作状况的各种参数。以滚轧机为例，这类机器可能设有多个大型的电动机及轴承，而每一电动机及轴承都各有滚轴、液压泵以及多种不同液压传动装置。保护这类设备的预防性维护系统可能需要配备电子监控电路，才可测量滚轴的振动程度和温度、液压系统的液压、液体温度以及电动机温度。

    机器的转动部分会不时产生频率介于50hz～10khz之间的振动，我们可以测量机件的振动幅度，以便从中了解滚轴及其他转动部分的物理状态，这个监控过程一般称为振动分析。超声波分析可说是另一种振动分析，但超声波分析涉及的频率范围则介于15～40khz之间，而这一频率范围属于高频区。由于机器的转动部分会出现磨损或损坏，以致所产生的频率与原先的不同，显示机件的物理状态与以前有异，因此我们只要通过频谱分析便可检测机件的变化情况。机件出现磨损，其振幅会增大，而超声波噪声也会增加。只要有12db左右的增幅，便表示有关机器可能会随时出现故障。

    这种监控方法的好处是，机件还未出现故障便可先行抢修。振动分析及超声波分析所需的设备很多时侯是完全不同的。最理想的当然是有一套现成而又极具成本效益的仪器，可以在整个频率范围内做出监控。图1所示的是振动及超声波分析的信号路径电路图。

    图1 振动分析的信号链

    压电传感器可以感测滚轴所产生的振动频率及超声波噪声。压电传感电路由mosfet为其提供内部缓冲，而驱动mosfet的电流则来自a4的恒流源，通过交流耦合在内部连接到滤波器。a1、a2及a3放大器组成一6极点低通滤波器并提供41.9db的增益。取样率为200khz的adc121s021模拟/数字转换器负责将已放大及滤波的信号转为数字信号。微处理器的软件可以通过快速傅里叶变换(fft)取得有关信号频率及振幅的数据。图中所示电路的通带约为40khz。图2则显示典型宽频带振动传感器的传递函数。

    图2 传感器的传递函数

    传感器在30hz左右会开始滚降，其频率响应幅度相对较为平坦，直到升至65khz这个谐振频率，这时平坦响应才改变过来，在此之后频率响应便急速下跌。这一平坦频带的峰峰值振幅约为32mvp-p，然后振幅会放大至4vp-p。以下是增益：

    4.096v/0.032v = 128

    我们最好采用125倍的增益，以便多留一点余量。以40khz这个最高信号频率为例，取样率便成为一个令人担忧的问题。为免高于尼奎斯特频率的混叠信号频率，我们必须将取样频率的一半加以滤波，然后将振幅抑制至模拟/数字转换器的1 lsb以下。在这个例子中，我们所采用的是12位的模拟/数字转换器，其参考电压为4.096v，将得到1mv解析度，计算方法如下：

    4.096v/4096 = 0.001v

    我们若要为取样资料系统提供一个切实可行的滤波器，便必须在某一程度上将要量度的最高频率与模拟/数字转换器的尼奎斯特频率加以分开。虽然这样做可能会令信号出现过取样，但滤波器可以抑制或完全消除假信号。图1采用的adc121s021是一款12位、200ksps取样率的模拟/数字转换器。若这款模拟/数字转换器以200ksps的取样率进行信号转换，尼奎斯特频率会固定于100khz。若频率为100khz，传感器的输出信号振幅大约为8mvp-p，将这个信号抑制至1mvp-p以下所需的增益可以根据下面公式计算出来：

    20log〔0.001v/0.008v〕=-18db

    100khz频率与40khz信号之间有60khz的差别，亦即0.6的频率递减。若频率为40khz，增益如下：

    20log(125v/v)=41.9db

    以下是滤波器的滚降率：

    (-41.9db+(-18db))/0.6 decade =-99.8db/decade

    或最低限度采用5偏振极点滤波器：

    -99.8db/decade

    —————————— =4.99 poles

    -20db/decade/pole

    由于我们可以轻易将放大器配置为双极偏振滤波器，因此上述设计可以采用3个放大器，使每一放大器都有5倍的通带增益。滤波器的通带特性取决于两个因素：其一是放大器的增益带宽；另一因素是放大器反馈电路的偏振位。每一滤波级可以视为双极的5v/v非反相增